大時滯對象新控制策略實用化研究

徐譽瑋，彭佩，李軍

(1． 廣州中電荔新電力實業有限公司，廣東 廣州511340;2． 廣東電網公司電力科學研究院，廣東 廣州510060)

鍋爐設備的主要輸入變量是負荷、鍋爐給水、燃料量、減溫水、送風和引風量;主要輸出變量包括汽包水位、過熱蒸汽溫度及壓力、煙氣氧量和爐膛負壓等。鑒于鍋爐本身的復雜性，對鍋爐實施控制時存在以下幾個難點:1)系統存在嚴重耦合，例如燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力和汽包水位，還會影響過熱蒸汽溫度和煙氣氧量等;2)存在不確定時滯，如燃料量的變化對蒸汽溫度、壓力、汽包水位等的影響有不同的滯后，并且這些時滯的大小還隨著機組負荷的改變而改變〔1〕。因此，鍋爐是一個多輸入、多輸出、強耦合、不確定時滯的復雜控制對象。

對于大時滯被控對象而言，通常認為較難控制。隨著控制理論的發展和研究的深入，產生了許多解決大時滯問題的策略和方法，如史密斯預估器、神經網絡控制、神經網絡控制加史密斯預估器，相位校正法、雙微分拐點控制等〔2〕。但是從實際應用效果來看，這些策略和方法的實用性不是很理想。

1 關于新控制策略

1.1 研究現狀

機組大多控制過程的擾動多呈現出較強的周期性，尤其是主汽溫度控制系統，擾動的周期多在數百秒到一千多秒之間。當控制系統固有頻率與擾動頻率相同或接近時發生共振，使系統調節性能顯著惡化〔3－4〕。與手動控制相比較，在投入自動后，擾動范圍可擴大2～3 倍甚至更多。

就目前對于大時滯控制系統的研究看來，研究方向有待商榷，一定程度上與實際情況相背離，且在實際工作中也可能存在以下一些問題:

1)將階躍擾動看成是基本擾動至少是不全面的，因為對于大多數的系統來說，階躍擾動只是一個短時過程，周期性擾動才是基本的過程擾動。

2)長期以來，僅局限于圍繞階躍擾動研究問題。

3)調節器參數的整定過程中，不清楚參數對周期性擾動抑制作用的大小問題，例如當微分常數大于臨界值后，會出現更大的共振峰值。

4)現場真正的一些突出問題始終不能夠得到較好的解決。

1.2 新控制策略研究方向

確定周期性擾動是基本的過程擾動，共振問題是造成系統過程調節性能顯著惡化的主要原因。因此新控制策略的重點是削減過程共振峰值，其實質是改變過程頻率特性。

主要思路是:通過研究系統過程頻率特性，找到對改善頻率特性有顯著作用的、實用的方法。實用性定義如下:

1)在現有DCS 組態中容易實現。

2)信號范圍能夠接受，調節閥信號范圍0～100%，大于100%或小于0 是沒有意義的。相位校正法理論上很好，但是處理后的信號變化范圍很大(如10 000%或－10 000%)，沒有意義。

3)信號模/數轉換器有8 位/12 位/16 位之分，8 位轉換器的量化干擾要遠高于12 位和16 位轉換器。信號模/數轉換位數的高低也是影響實用性的重要原因之一。

4)即便在調節閥信號范圍0～100%內，處理后的信號變化范圍也應盡量小。

1.3 新控制策略進展情況

2006年，出現了帶阻濾波法和高端帶通濾波法這2 種改善過程頻率特性的方法，文中選擇高端帶通濾波法為實用研究基礎。此方法為“小”微分法，即微分常數遠小于臨界值，兩者在性能上接近，更主要的是容易實現，存在問題是調節器輸出“高頻毛刺”較大。

在“小”微分法已取得的經驗基礎上，目前新控制策略研究上有了較大進展，將(類似于)音響領域在磁帶機時代產生的杜比動態降噪技術應用于新控制策略，在仿真研究上有了一些突破。2012年在廣州中電荔新電廠1 號機組168 h 試運行期間，對新控制策略控制方法的實際應用效果進行了試驗研究，結果表明共振峰值降低了54%左右，并且“高頻毛刺”現象亦有所緩解。

2 控制效果仿真比較

以廣州中電荔新電廠鍋爐一級汽溫控制系統參數為模型，進行仿真比較。仿真中，干擾信號0～100%被編成8 位二進制碼，模擬8 位模/數轉換器，以研究新策略的適應性。

2.1 串級長時滯對象“標準”模型

根據鍋爐過熱器一級汽溫控制系統(在330 MW 時)參數，建立“標準”模型〔5〕，如圖1所示:

圖1 “標準”串級大時滯對象模型

2.2 仿真過程調節器參數

在衰減率約為0.75 時的參數如下:

主調:P1=0.85，Ti1=260 s，Td1=0

副調:P2=1.00，Ti2=45 s，Td2=0

以上述參數下的過程特性曲線為基準進行比較。

2.3 基準仿真過程曲線

所加正弦波信號峰值為100%，過程曲線如圖2 所示:

圖2 基準仿真過程曲線

由圖2 可見，鍋爐過熱器一級汽溫控制系統在周期670 s 處出現共振峰，過程共振峰值幅度為240%，副調輸出峰值幅度為145%。

2.4 大微分常數對頻率特性影響比較

按照溫度控制PID 參數整定工程經驗，一般微分常數Td為3～180 s，使用大微分法進行仿真，將主調微分常數設置較大，Td取107 s。Kd分別取為0.2 和0.4，仿真后的頻率特性如圖3 所示:

圖3 大常數微分頻率特性

由圖3 可見，過程頻率特性在周期630 s 以上有所改善，但共振峰值沒有降低，隨著微分幅度的增加，過程共振峰值也同步增加。

2.5 “小”微分法對頻率特性改善比較

“小”微分，即微分常數遠小于臨界值。主調微分常數取5.35 s，Kd取12.5，其頻率特性如圖4所示:

圖4 “小”微分頻率特性曲線

由圖4 可見，過程頻率特性在周期530 s 以上時有較大改善，過程共振峰值為172%，有較大幅度降低。副調輸出在周期90 s 和460 s 處出現2 個峰值，峰值幅度分別為120%和105%，但調節器輸出“高頻毛刺”較大。

2.6 最新控制策略頻率特性比較

結合“小”微分和杜比動態降噪技術特點，最新控制策略頻率仿真試驗特性，如圖5 所示:

圖5 最新控制策略頻率特性曲線

由圖5 可見，(紅線)過程頻率特性幾乎為一直線，沒有明顯的共振峰，最大峰值為102%，共振問題得到根本性抑制。副調輸出在周期90 s 時出現峰值，幅度為78%，較“小”微分法有較大降低，副調輸出在周期350 s 以上時有很大幅度的降低(特別有利于降低金屬溫度沖擊)，并且大大降低了調節器輸出“高頻毛刺”大的問題。

3 實用效果驗證

從上面的仿真結果看出，最新控制策略控制方法有效地解決了大時滯系統的共振問題，并且有效降低了“高頻毛刺”現象。在廣州中電荔新電廠1號鍋爐一級減溫水系統中使用了最新控制策略控制方法，A 側為常規設置，B 側應用了最新控制策略控制方法。

其中，A 側一級減溫水控制中，各主要調節參數設置如下:

主調:P1=17，Ti1=16 s，Td1=40，Kd=2

副調:P2=2.5，Ti2=90 s，Td2=0

其中B 側一級減溫水控制中，各主要調節參數設置如下:

主調:P1= 17，Ti1= 16 s，Td1= 4.82，Kd=13.85

副調:P2=2.5，Ti2=90 s，Td2=0

在機組168 h 試運行期間變負荷時的鍋爐A，B 側一級減溫水趨勢如圖6 所示。

由圖6 可見，最新控制策略應用在B 側(最大波動+9/ －5)，控制效果明顯優于A 側(最大波動+16/ －15)，降低波動幅度為54%。系統在250 MW 負荷時臨界周期值為1 360 s，圖中擾動周期平均值為600 s。B 側一級減溫水系統的共振問題以及“高頻毛刺”現象都得到了有效改善。

圖6 1 號機組鍋爐A，B 側一級減溫水控制頻率特性曲線

4 結論

對于大時滯控制系統，大微分常數法和“小”微分法均無法獨立有效地解決控制過程共振以及“高頻毛刺”等問題。對此，文中提出了最新控制策略方法且進行了仿真研究，將最新控制策略方法運用在廣州中電荔新電廠1 號機組B 側一級減溫水控制系統中，有效地解決了大時滯系統的共振問題，有效降低了“高頻毛刺”現象，獲得了良好的控制效果。

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